Les fonctions visuelles sont essentielles à la conception d'applications robotiques qui détectent et s'adaptent au monde physique en temps réel. Les systèmes robotiques fonctionnent dans des environnements dynamiques et souvent imprévisibles, et les données des capteurs doivent être collectées, transmises, traitées et traduites en action en quelques millisecondes. Toute augmentation des délais, perte de données ou incohérence temporelle peut dégrader les performances et même créer un risque de sécurité.
À mesure que les systèmes robotiques se tournent vers des capacités de détection basées sur l’apprentissage automatique, qui s’appuient sur de grandes quantités de données visuelles plutôt que sur une programmation spécifique à une tâche, ces contraintes deviennent de plus en plus exigeantes. Cela permet aux applications robotiques de s'adapter à de nouveaux objets, environnements et tâches avec un minimum de reprogrammation.
Ces tendances exercent une pression croissante sur la manière de transférer les données visuelles dans les systèmes robotiques. La technologie Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) facilite les défis de conception en simplifiant la connectivité des capteurs, en réduisant la complexité du câblage et en permettant un transfert de données robuste et à faible latence entre les caméras distribuées et les modules informatiques centraux.
GMSL a été conçu à l'origine pour des applications automobiles telles que les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et est désormais largement utilisé dans les systèmes de robotique et de vision industrielle pour connecter des caméras et des capteurs distants avec une faible latence et une robuste immunité aux interférences électromagnétiques.
GMSL, développé par Analog Devices, est une technologie de communication série/de-string (SerDes) à haut débit qui transmet des vidéos et des données à large bande passante via un seul câble coaxial ou une paire torsadée. Chaque caméra ne partage pas de structure de réseau, mais fonctionne sur une liaison haut débit dédiée, éliminant ainsi les conflits, le routage et la variabilité basée sur les paquets. Cela crée un chemin de données prévisible avec un temps et un délai constants, même si le nombre de capteurs augmente.
Le sérialiseur GMSL convertit un ensemble de données de pixels généralement transmises en parallèle sur plusieurs lignes de signal uniques en un flux de données série continu à haute vitesse. Côté processeur, la destring le reconvertit au format d'origine. Étant donné que chaque caméra possède sa propre liaison point à point, la bande passante est linéairement liée au nombre de caméras, ce qui n'entraînera pas de conflits de réseau, de surcharge de commutation ou de retard de planification des paquets de données.
Les avantages de cette approche deviennent plus évidents lorsque le système de vision est étendu à plusieurs caméras haute résolution. Contrairement aux applications à caméra unique, ces systèmes nécessitent une couverture visuelle dense et synchronisée pour prendre en charge des tâches telles que la navigation, la manipulation et la compréhension de la scène en temps réel. À mesure que le nombre de capteurs augmente, les exigences en matière de bande passante, de câblage et de précision de synchronisation augmentent, exposant les limites des interconnexions traditionnelles au niveau des cartes à courte portée.
Les approches traditionnelles telles que les liaisons USB, Ethernet standard ou MIPI directes au niveau de la carte nécessitent inévitablement des compromis en termes de latence, de synchronisation ou de couverture physique. À mesure que de plus en plus de caméras sont utilisées, la complexité du câblage, de la gestion du timing et de la conception du système continue d'augmenter, ce qui présente également un défi croissant en matière d'intégration technologique.
GMSL offre plusieurs avantages évidents par rapport aux autres méthodes de connexion visuelle :
Il surpasse MIPI CSI-2 en termes de couverture et de robustesse tout en conservant une architecture point à point simple, à faible latence, qui évite la complexité d'une pile visuelle basée sur Ethernet.
GMSL privilégie une connectivité point à point déterministe et une synchronisation multi-caméras plus simple par rapport à la flexibilité du réseau distribué à grande échelle d'Ethernet.
Les performances de cette solution sont à peu près comparables à celles de FPD-Link, une autre solution SerDes dédiée. Le choix dépend souvent d’une prise en compte globale des écosystèmes.
GMSL équilibre les systèmes de vision intégrés et en réseau en fournissant une méthode pratique de connectivité de caméra à haute vitesse avec des performances déterministes et à faible latence. Cela simplifie la connectivité visuelle à haut débit tout en respectant les exigences strictes de latence et de fiabilité des systèmes robotiques en temps réel.
Haute vitesse, grande capacité
Avec l’augmentation de la résolution des caméras et du nombre de capteurs, ces avantages structurels deviennent la clé du succès du système. GMSL peut transmettre de grandes quantités de données, notamment des données vidéo, à partir de plusieurs caméras ou autres capteurs via un seul câble. Ce schéma utilise des liaisons point à point dédiées sans conflit de réseau ni routage de paquets. Les concepteurs peuvent utiliser GMSL pour transmettre des flux de données à large bande passante via des câbles coaxiaux ou à paires torsadées tout en conservant une faible latence et une immunité élevée au bruit sans utiliser plusieurs connexions par point.
Cette technologie simplifie le câblage automobile, améliore la robustesse, et ces attributs sont directement incarnés dans la robotique : moins de câbles simplifient les conceptions électriques et mécaniques, rendant les systèmes plus légers, plus fiables et plus faciles à assembler. Les caméras distribuées peuvent être installées loin des modules informatiques, avec un minimum de câblage, tout en fournissant de manière fiable des données synchronisées et à faible latence pour prendre en charge la détection et la prise de décision en temps réel.
Les robots s'appuient de plus en plus sur plusieurs caméras haute résolution, parfois combinées à des capteurs de profondeur ou PLIDAR (détection et télémétrie de la lumière) pour détecter leur environnement (Figure 1). Chaque caméra génère une grande quantité de flux de données lorsqu'elle est utilisée seule, et lorsque plusieurs caméras sont utilisées en même temps, les besoins en bande passante sont accrus. Une caméra de résolution 1080p, 30 images par seconde (ips), 24 bits par pixel génère un taux de transmission de 1,4 Gbit/s, donc quatre caméras génèrent un taux de transmission de 5,6 Gbit/s et six caméras génèrent un taux de transmission de 8,4 Gbit/s. L'application d'une résolution et d'une fréquence d'images plus élevées peut augmenter les besoins en bande passante jusqu'à des dizaines de gigabits par seconde.